中红外全光调制器：气体填充空芯光纤新应用
中红外光波段主要指波长为2-20μm的电磁波段。由于该波段存在大气透明窗口，而物体热辐射及分子特征吸收峰也都位于该波段，因此中红外波段被广泛应用于红外热成像观测、物质成分分析、大气环境监测等领域，对于国计民生、国防安全等具有重要战略应用价值。
中红外光调制器，可以实现信号开关、路由切换、数据加密、相敏探测等功能，是光子链路和传感领域的重要组成器件。
图1：全光调制器原理图
现有的中红外光调制器主要采用波导集成方式，其工作机制通常分为以下几种：热光效应、电光效应、自由载流子色散效应、电吸收效应以及声光效应等。大多数中红外波导集成式调制器是由直接施加在调制单元上的外部电子单元进行电驱动，通过电信号改变晶体折射率从而调制信号光的相位以及强度。尽管波导型中红外调制器具有尺寸小等优势，但受限于晶体材料在中红外波段的本征吸收特性，当前报道的该类器件普遍存在工作波段窄、调制消光比低、吸收与散射损耗大、不抗电磁干扰等问题。
为解决这一问题，近日，香港理工大学靳伟教授团队开发了一种基于空芯光纤中乙炔气体光热效应的中红外全光调制器，可实现从近红外到中红外波段超宽带的相位和强度调制。
该成果以“Mid-infrared all-optical modulators based on an acetylene-filled hollow-core fiber”为题发表在Light: Advanced Manufacturing。
基于气体光热效应的调制器的基本原理是：乙炔气体分子吸收波长对应其吸收线的近红外控制光后，跃迁至更高能级，并通过非辐射弛豫释放热量，引起空芯光纤内气体介质的温度和折射率变化，此时信号光以相同路径沿空芯光纤内部传输，气体介质的折射率变化即可引起信号光的相位变化，由此组成相位调制器件。将该相位调制器件置于马赫曾德尔干涉仪中作为相位臂，外加可调延时器件作为参考臂，组成强度调制器件。通过改变控制光的功率或者波长，可以实现对信号光的相位和强度调制。空芯光纤作为传输载体，本质上具有宽波段的传输特性，气体填充材料具有本征的窄吸收线，由此可实现从近红外到中红外的超宽波段的相位和强度调制。
图2：基于气体填充空芯光纤的全光调制器示意图
研究人员首先评估了空芯光纤全光调制器在中红外波段的相位调制性能。实验发现该中红外相位调制器在280 mW控制光功率下可以实现1π rad的相位调制幅度，当控制光功率增加到650 mW时，可以实现1.34π rad的相位调制幅度。另外分析了空芯光纤内气体压强对相位调制幅度的影响，当气体压强从1.5 bar增加到3.4 bar时，其相位调制幅度可以从1π rad近似线性增加到2.2π rad。
研究人员进一步评估了该中红外调制器的强度调制性能，在控制光为0时，信号光的输出几乎为零，对应于“关闭”状态；在控制光为最大值时，信号光的输出为最大值，对应于“开启”状态。对于方波调制的控制光，信号光的输出幅值在零和最大值之间周期性变化，通过光阑匹配干涉仪两臂的功率输出，可以实现超过25 dB的调制消光比。实验证明该调制器同样可工作于近红外波段。
综上所述，研究人员在乙炔填充的空芯光纤中演示了基于光热效应的近、中红外全光相位和强度调制器。受益于低传输损耗的空芯光纤和气体填充介质，该调制器具有工作波段宽、调制消光比高、耐受功率和损伤阈值高、抗电磁干扰能力强等优点。
该项工作将空芯光纤扩展到了中红外调制器件领域，气体填充的空芯光纤也被证明可作为有效的平台以实现更多更新的光子学功能。从高功率激光产生到大气环境监测，从生化传感到医疗诊断等应用，空芯光纤全光中红外调制器的应用前景十分广阔。
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